Вчені досягли прориву в «магічний стан», який розробляли 20 років — квантові комп'ютери ніколи не були б по-справжньому корисними без нього

(Зображення надано: QuEra)

Вперше у світі вчені продемонстрували загадкове явище в квантових обчисленнях, яке може прокласти шлях для створення відмовостійких машин, набагато потужніших за будь-який суперкомп'ютер.

Процес, який називається «дистиляція магічних станів», вперше був запропонований 20 років тому, але його використання в логічних кубітах з того часу залишалося загадкою вчених. Він довгий час вважався вирішальним для виробництва високоякісних ресурсів, відомих як «магічні стани», необхідних для повної реалізації потенціалу квантових комп'ютерів.

Магічні стани – це квантові стани, підготовлені заздалегідь, які потім використовуються як ресурси найскладнішими квантовими алгоритмами. Без цих ресурсів квантові комп'ютери не можуть використовувати дивні закони квантової механіки для паралельної обробки інформації.

Вам може сподобатися

Проривний квантовий комп'ютер може вирішувати проблеми у 200 разів швидше, ніж суперкомп'ютер
Вчені досягли рівня помилок квантових комп'ютерів 0,000015% — світового рекорду, який може призвести до створення менших та швидших машин.
Прорив Microsoft може зменшити кількість помилок у квантових комп'ютерах у 1000 разів

Тим часом, дистиляція магічних станів – це процес фільтрації, за допомогою якого магічні стани найвищої якості «очищаються», щоб їх можна було використовувати найскладнішими квантовими алгоритмами.

Цей процес досі був можливий на простих, схильних до помилок фізичних кубітах, але не на логічних кубітах — групах фізичних кубітів, які використовують однакові дані та налаштовані на виявлення та виправлення помилок, що часто порушують роботу квантових обчислень.

Оскільки дистиляція магічних станів у логічних кубітах досі не була можливою, квантові комп'ютери, що використовують логічні кубіти, теоретично не змогли випередити класичні машини.

Однак тепер вчені з QuEra кажуть, що вони вперше продемонстрували дистиляцію магічних станів на практиці на логічних кубітах. Вони виклали свої висновки в новому дослідженні, опублікованому 14 липня в журналі Nature.

«Квантові комп’ютери не змогли б виконати свою обіцянку без цього процесу дистиляції магічних станів. Це необхідна віха», – сказав в інтерв’ю Live Science Юваль Богер, головний комерційний директор QuEra. Богер особисто не брав участі в дослідженні.

Шлях до відмовостійких квантових обчислень

Квантові комп'ютери використовують кубіти як будівельні блоки, а також квантову логіку — набір правил та операцій, що керують процесом обробки квантової інформації — для запуску алгоритмів та обробки даних. Але проблема полягає в тому, щоб запускати неймовірно складні алгоритми, зберігаючи при цьому неймовірно низький рівень помилок.

Проблема полягає в тому, що фізичні кубіти за своєю суттю є «шумними», а це означає, що обчислення часто порушуються такими факторами, як зміни температури та електромагнітне випромінювання. Саме тому так багато досліджень зосереджено на квантовій корекції помилок (ККП).

Зменшення кількості помилок, які трапляються з частотою 1 на 1000 у кубітах порівняно з 1 на 1 мільйон мільйонів у звичайних бітах, запобігає перебоям і дозволяє обчисленням виконуватися швидко. Саме тут і стають на допомогу логічні кубіти.

«Щоб квантові комп’ютери були корисними, їм потрібно виконувати досить тривалі та складні обчислення. Якщо рівень помилок занадто високий, то цей розрахунок швидко перетворюється на кашу або на непотрібні дані», – сказав в інтерв’ю Live Science провідний автор дослідження Серхіо Канту, віцепрезидент з квантових систем у QuEra. «Єдина мета виправлення помилок – знизити цей рівень помилок, щоб можна було безпечно виконати мільйон обчислень».

Логічні кубіти — це колекції заплутаних фізичних кубітів, які мають однакову інформацію та базуються на принципі надмірності. Якщо один або кілька фізичних кубітів у логічному кубіті зазнають невдачі, обчислення не переривається, оскільки інформація існує деінде.

Але, за словами вчених, логічні кубіти надзвичайно обмежені, оскільки коди виправлення помилок, що застосовуються до них, можуть виконувати лише «вентилі Кліффорда» — базові операції в квантових схемах. Ці операції є основоположними для квантових схем, але вони настільки базові, що їх можна моделювати на будь-якому суперкомп'ютері.

Тільки використовуючи високоякісні магічні стани, вчені можуть запускати «некліффордові вентилі» та займатися справжньою паралельною обробкою. Але їх генерація є надзвичайно ресурсоємною та дорогою, і досі її неможливо досягти в логічних кубітах.

По суті, покладання лише на дистиляцію магічних станів у фізичних кубітах ніколи не призведе до квантової переваги. Для цього нам потрібно безпосередньо дистилювати магічні стани в логічних кубітах.

Магічні стани прокладають шлях до можливостей, що виходять за межі суперкомп'ютерів

«Магічні стани дозволяють нам розширити кількість і тип операцій, які ми можемо виконувати. Тож практично будь-який квантовий алгоритм, який має цінність, потребуватиме магічних станів», — сказав Канту.

Генерація магічних станів у фізичних кубітах, як ми це робили, є змішаним процесом — є магічні стани низької та високої якості — і їх потрібно вдосконалювати. Тільки тоді вони зможуть живити найпотужніші програми та квантові алгоритми.

У дослідженні, використовуючи квантовий комп'ютер Gemini на нейтральному атомі, вчені об'єднали п'ять недосконалих магічних станів в один, чистіший магічний стан. Вони виконали це окремо на логічному кубіті Distance-3 та Distance-5, продемонструвавши, що він масштабується залежно від якості логічного кубіта.

«Більша відстань означає кращі логічні кубіти. Наприклад, відстань 2 означає, що ви можете виявити помилку, але не виправити її. Відстань 3 означає, що ви можете виявити та виправити одну помилку. Відстань 5 означала б, що ви можете виявити та виправити до двох помилок, і так далі, і так далі», – пояснив Богер. «Тож чим більша відстань, тим вища точність кубіта – і ми порівнюємо це з перегонкою сирої нафти в реактивне паливо».

ПОВ'ЯЗАНІ ІСТОРІЇ

— Вчені кажуть, що невеликі квантові комп'ютери кімнатної температури, які використовують світло на горизонті після прориву

— Алгоритми «квантового штучного інтелекту» вже випереджають найшвидші суперкомп'ютери, йдеться в дослідженні

— Вчені прокладають шлях до першого мільйонно-кубітного процесора для квантових комп'ютерів після «десятирічного прориву в розробці»

В результаті процесу дистиляції точність кінцевого магічного стану перевищила точність будь-якого вхідного сигналу. За словами вчених, це довело, що відмовостійка дистиляція магічних станів працює на практиці. Це означає, що тепер можливий квантовий комп'ютер, який використовує як логічні кубіти, так і високоякісні магічні стани для роботи не-кліффордових вентилів.

«Ми спостерігаємо певний зсув порівняно з тим, що було кілька років тому», – сказав Богер. «Завдання полягало в тому, чи можна взагалі створювати квантові комп’ютери? Тоді питання було в тому, чи можна виявляти та виправляти помилки? Ми, Google та інші показали, що так, це можливо. Тепер питання в тому, чи можемо ми зробити ці комп’ютери справді корисними? І щоб зробити один комп’ютер справді корисним, окрім збільшення його розмірів, потрібно, щоб він міг запускати програми, які неможливо змоделювати на класичних комп’ютерах».

ТЕМИ квантові комп'ютери

Кеумарс Афіфі-Сабет, редактор каналу, технології

Кьомарс — редактор відділу технологій у Live Science. Він писав для різних видань, зокрема ITPro, The Week Digital, ComputerActive, The Independent, The Observer, Metro та TechRadar Pro. Він пропрацював журналістом у сфері технологій понад п'ять років, раніше обіймав посаду редактора спеціалізованих матеріалів в ITPro. Він має кваліфікацію журналіста NCTJ та ступінь з біомедичних наук Лондонського університету Королеви Марії. Він також зареєстрований як дипломований менеджер-основоположник в Chartered Management Institute (CMI), отримавши кваліфікацію керівника команди 3-го рівня з відзнакою у 2023 році.

Ви повинні підтвердити своє публічне ім'я, перш ніж коментувати

Будь ласка, вийдіть із системи, а потім увійдіть знову. Після цього вам буде запропоновано ввести своє ім'я для відображення.

Вийти Читати далі

Проривний квантовий комп'ютер може вирішувати проблеми у 200 разів швидше, ніж суперкомп'ютер

Вчені досягли рівня помилок квантових комп'ютерів 0,000015% — світового рекорду, який може призвести до створення менших та швидших машин.

Прорив Microsoft може зменшити кількість помилок у квантових комп'ютерах у 1000 разів

Гігантський квантовий комп'ютер IBM на 10 000 кубітів з'явиться у 2029 році після того, як наука, що стоїть за відмовостійкістю, «розгадала»

Вчені вперше використовують квантове машинне навчання для створення напівпровідників – і це може змінити спосіб виготовлення чіпів

«Як майстер гри в тетріс»: вчені винаходять квантові віртуальні машини — вони скоротять час виконання завдань з днів до годин.

Вчені втискають цілий комп'ютер в одне волокно одягу — і його навіть можна пропустити через пральну машину

Китайська «Мавпа Дарвіна» – найбільший у світі суперкомп'ютер, натхненний роботою мозку

Японія запускає свій перший власний квантовий комп'ютер

IBM та Moderna змоделювали найдовший шаблон мРНК без штучного інтелекту — замість цього вони використали квантовий комп'ютер.

«Як майстер гри в тетріс»: вчені винаходять квантові віртуальні машини — вони скоротять час виконання з днів до годин

Ця маловідома 80-річна машина може бути ключем до розкриття повного потенціалу штучного інтелекту сьогодні. Останні новини.

«Я довіряю ШІ, як моряк довіряє морю. Він може занести вас далеко, або ж може втопити»: результати опитування показують, що більшість не довіряє ШІ

Всього одна доза ЛСД може полегшити тривогу на місяці, показало дослідження

Вчені виявили «щось надзвичайне» в проблемному серці відомої наднової

Вчені винайшли «спермоботів», яких вони пілотували через штучну шийку матки та матку

Наукові новини цього тижня: ключова атлантична течія наближається до колапсу, найбільший у світі айсберг руйнується, а мозок миші переписує нейронауку

Рибалки виявили в Карибському басейні першу у своєму роді яскраво-помаранчеву акулу з двома рідкісними захворюваннями ОСТАННІ СТАТТІ

Огляд 1Canon EOS R5 II

Вчені знайшли «щось надзвичайне» у проблемному серці відомої наднової

Розпечена «піщана батарея» 3A тепер опалює невелике фінське містечко

4 Чи існують альфа-самці насправді?

5 наукових новин цього тижня: ключова атлантична течія наближається до руйнування, найбільший у світі айсберг руйнується, а мозок миші переписує нейронауку

Live Science є частиною Future US Inc, міжнародної медіагрупи та провідного цифрового видавництва. Відвідайте наш корпоративний сайт.